钾霞橄黄长岩的研究进展

张金博，徐梦婧，吴彦旺，赵佩云，肖 雪

（天津城建大学地质与测绘学院，天津 300384）

钾霞橄黄长岩属于黄长岩类的一个分支系列，为超基性喷出岩，具有明显的斑状结构和半自形结构，在自然界中非常稀少，目前主要分布在中国、意大利、巴西和乌干达等国家.自20 世纪80 年代以来，钾霞橄黄长岩与碳酸岩密切共生的现象引起了越来越多学者的广泛关注，并且人们意识到钾霞橄黄长岩可能起源于超深环境，是了解地幔及其变化的良好窗口[1-6].随着测试技术和研究方法的进步，关于钾霞橄黄长岩的成因和大地构造背景等问题的研究也取得了前所未有的进展[3-5，7-12].本文系统总结了中国、意大利、巴西和乌干达四个国家钾霞橄黄长岩的研究成果，并分析了目前研究中尚存的问题.

1 钾霞橄黄长岩的定义

最早的含钾霞石的熔岩发现于乌干达西南部[13]，后来被正式命名为钾霞橄黄长岩系[14].之后，不同学者开始从化学成分上进行定义：Foley 认为钾霞橄黄长岩是一种含钾的超镁铁火山岩的统称，全岩化学成分以低硅高钙为特征[15]；Le Maitre 将钾霞橄黄长岩定义为一类贫SiO2和Al2O3，富含全碱（K2O+NaO）、CaO、MgO和FeO 的超基性超钾质火山岩[16]；朱德勤提出钾霞橄黄长岩是一套SiO2不饱和，富碱、镁、钙的超基性火山岩[17]；喻学惠强调钾霞橄黄长岩是一种不含斜长石，但普遍含有高钛金云母、黄长石、白榴石、霞石的岩石，并发现钾霞橄黄长岩的化学成分不仅富含全碱（K2O+NaO）、CaO、MgO 和FeO，还有高的TiO2和Mg 值，并详细划定了岩石中化学成分的质量分数范围ω（SiO2）＜40%，ω（Al2O3）＜10%，ω（CaO）＞15%，ω（MgO）＞11%，ω（K2O+NaO）=3%～5%）[18-19].此外，Sgarbi 从成因角度提出钾霞橄黄长岩是含六方钾霞石并与遗传作用相关的一类火山岩[20]；而Lavecchia 和张雷则强调钾霞橄黄长岩应与碳酸岩共生[5-6].

在对钾霞橄黄长岩进行定义的同时，一些学者还对其进行了分类.Yoder 等基于全碱（K2O+NaO）和MgO的含量，将钾霞橄黄长岩划分为两个亚类：一类以低全碱和高镁为特征，全碱平均质量分数为4.5%，MgO质量分数可达14%；另一类以低镁高碱为特征，全碱质量分数达10%，MgO 平均质量分数在4.9%左右[21].Le Maitre 和Bailey 则根据矿物成分将钾霞橄黄长岩分为白橄黄长岩（或橄榄黄长岩）、橄辉钾霞岩和暗橄白榴岩等类型[16，22].

综上所述，钾霞橄黄长岩是一种来自地幔深部的贫SiO2和Al2O3，富含全碱（K2O+NaO）、CaO、MgO 和FeO，有高的TiO2和Mg 值，常与碳酸岩共生的超基性超钾质火山岩.

2 钾霞橄黄长岩的研究内容

前人对钾霞橄黄长岩的研究内容主要集中在矿物组合、全岩成分以及同位素特征等方面，并且地球化学方法已成为研究钾霞橄黄长岩的主要技术手段之一.通过地球化学分析，可深入了解地幔源区物质组成及其富集过程，对揭示钾霞橄黄长岩的形成环境、形成机制及其与碳酸岩的关系有着十分重要的作用.

2.1 矿物组合

目前，国内外对钾霞橄黄长岩的矿物学研究主要采用偏光显微镜、电子探针分析、微探针分析、X 射线分析（X-ray）、差热分析等方法，详细研究了钾霞橄黄长岩的矿物组合、结构构造以及矿物的化学成分.

表1 汇总了中国、意大利、巴西和乌干达四个国家钾霞橄黄长岩的矿物组合.从表1 中可以看出，四个国家钾霞橄黄长岩的矿物组成相似，均以橄榄石、金云母、白榴石、钾长石和辉石类矿物为主.目前，金云母和单斜辉石的化学成分研究较多.已有的研究结果表明，钾霞橄黄长岩的金云母均以富TiO2为特征，导致富TiO2的原因可能与高温和高Fo2有关[23]；而单斜辉石的成分变化较大，巴西与意大利的单斜辉石类型较为单一，主要为透辉石[20，23]；中国与乌干达的单斜辉石类型较复杂，成分变化范围较大，斑晶单斜辉石可分为Cr-普通辉石、透辉石、含Ti 富钙透辉石和Al-透辉石，基质相单斜辉石均为透辉石或富钙透辉石[4，11].

表1 中国、意大利、巴西、乌干达钾霞橄黄长岩矿物组合汇总表

2.2 全岩地球化学特征

全岩地球化学分析可以精确测定组成岩石的各种元素含量，包括主量元素和微量元素地球化学研究.对钾霞橄黄长岩的全岩地球化学研究方法主要应用等离子质谱仪（ICP-MS）、多接收等离子质谱仪（MSICP-MS）和热离子质谱仪（TIMS）等现代分析测试方法，以获得的岩石成分、元素赋存状态等地球化学指标，从而探讨岩石成因和地球动力学过程.

2.2.1 主量元素地球化学特征

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表2 为中国、意大利、巴西、乌干达钾霞橄黄长岩主量元素汇总表.从表2 中可以看出中国、意大利、巴西和乌干达的钾霞橄黄长岩具有相似的主量元素质量分数：低SiO2和Al2O3，高MgO、CaO 和Mg 值.巴西钾霞橄黄长岩的TiO2质量分数较高，意大利钾霞橄黄长岩呈现出较低的Na2O 和较高的P2O5，乌干达钾霞橄黄长岩具有较低的P2O5，并且MgO 质量分数变化范围较大.

表2 中国、意大利、巴西、乌干达钾霞橄黄长岩主量元素质量分数汇总表 %

2.2.2 微量元素地球化学特征

钾霞橄黄长岩的稀土总量较高，巴西的质量分数为（951.68～3 879.27）×10-6，与意大利相似（488.64～3 805.78）×10-6，中国有最低的稀土总量（1 334.11～2 661.73）×10-6，乌干达次之（ΣREE=1183.91～2971.71）.球粒陨石标准化配分模式图显示四个国家的钾霞橄黄长岩均富集轻稀土（见图1），其中中国钾霞橄黄长岩的轻重稀土分异程度最低（（La/Yb）n=31.1～53.4），乌干达钾霞橄黄长岩的轻重稀土分异程度最高（（La/Yb）n=43～153），巴西钾霞橄黄长岩的（La/Yb）n比值为53.1～91.9，分异程度适中.意大利钾霞橄黄长岩的（La/Yb）n比值变化较大，为23.7～104.4，并且具有明显的负Eu异常，可能是由于源区具有高的CO2逸出度，从而使得高场强元素分馏得以进行并产生Eu 的异常[5].

在原始地幔标准化的蛛网图（见图2）中，中国、巴西和乌干达钾霞橄黄长岩的配分模式较为一致，均表现出Ba、Sr、La、Nd、Sm 相对富集，Rb、U、Pb、Zr、Hf 相对亏损的特征，而意大利钾霞橄黄长岩强烈富集Rb、Th、U、Pb、La、Sm，亏损Ba、Nb、Ta、Zr、Hf.这些特征反映意大利钾霞橄黄长岩可能受到了交代作用的影响[6，33]，而其他三个国家的钾霞橄黄长岩则没有或很少受到地壳物质的混染[10-12，27，31-32].

上述分析显示，中国、巴西、意大利和乌干达钾霞橄黄长岩具有相似的主量元素特征，而意大利钾霞橄黄长岩展示了不同的微量元素特征，反映其可能具有不同的成因.

2.3 同位素地球化学特征

同位素地球化学主要用来确定岩石和矿物的年龄，以及对岩石成因的研究，识别地质过程和示踪物质来源.国内外对钾霞橄黄长岩同位素地球化学的分析主要通过电感耦合等离子质谱仪（MC-ICP-MS）、热电离质谱仪（TIMS）、高分辨多接收等离子质谱仪进行，目前主要分析了Sr、Nd、Pb 和Os 同位素.

表3 为中国、意大利、巴西、乌干达钾霞橄黄长岩同位素组成汇总表.如表3 所示，中国西秦岭钾霞橄黄长岩有最高的εNd（t）值和相对低的87Sr/86Sr 比值，这可能反映了该区亏损的地幔源区特征，且没有或很少受到地壳物质的混染，而巴西和乌干达则有着相对低的εNd（t）值，相似的87Sr/86Sr 比值和143Nd/144Nd 比值，意大利的钾霞橄黄长岩同位素组成变化较大，其中εNd（t）值最低，均小于-10，且有着相对高的87Sr/86Sr 比值和较低的143Nd/144Nd 比值，这表明意大利的钾霞橄黄长岩原生岩浆可能受到了一个地壳交代作用的影响.

表3 中国、意大利、巴西、乌干达钾霞橄黄长岩同位素组成汇总表

在钾霞橄黄长岩的206Pb/204Pb-207Pb/204Pb 关系图解（见图3）中，中国与巴西钾霞橄黄长岩具有相似的Pb同位素，与MORB 一致，而乌干达与意大利的则具有EMII 型地幔源区相似的Pb 同位素特征.

3 钾霞橄黄长岩的研究意义

3.1 钾霞橄黄长岩成因

Dalton 等在对乌干达、意大利等几个国家钾霞橄黄长岩和碳酸岩的岩石学、矿物学和地球化学研究之后，提出钾霞橄黄长岩是由地幔源区经部分熔融作用形成的[42].中国西秦岭钾霞橄黄长岩的特点以及眼斑和地幔流体的成分关系均反映其岩浆来源于软流圈地幔或更深的地方，由岩石圈底部热边界层的低度部分熔融所形成[3，30，43]；而富集LREE 和LILE 的地球化学特征又进一步指示了软流圈流体交代过的富集地幔[6]或与OIB 特征一致的地幔源区[32].Carlson 等通过研究巴西钾霞橄黄长岩与橄榄岩捕虏体之间的化学和同位素关系，提出其成因与大陆岩石圈地幔的部分熔融有关[26].此外，意大利钾霞橄黄长岩展示了高场强元素亏损的地球化学特征，暗示其地幔源区可能受到了壳源物质的交代[33].Guo 等在对中国、意大利、巴西和乌干达钾霞橄黄长岩综合分析之后提出，钾霞橄黄长岩来源于岩石圈地幔的低度部分熔融，其可能受到不同物质和不同程度的交代[44].

地幔包体的温压计算显示钾霞橄黄长岩岩浆的来源深度大于100 km，可能是地幔柱上涌，岩石圈地幔发生部分熔融[2，5].Araujo 等、Lavecchia 等在对巴西和意大利钾霞橄黄长岩的岩石学、矿物学、全岩地球化学以及同位素全面分析后，也认为钾霞橄黄长岩是地幔柱岩浆作用的产物[2，5].此外，钾霞橄黄长岩中普遍可见地幔包体和捕虏晶，同样暗示了从深部地幔到岩石圈能量与物质的释放（地幔羽）[45].

目前，钾霞橄黄长岩与碳酸岩的共生问题也日益受到研究者们的关注.Stoppa 等和Guo 等认为钾霞橄黄长岩溶体和碳酸岩溶体是同一岩浆在上升过程中，由于解压导致不混溶作用所分隔成的两种熔体，它们在分离之前是来自于单一的富含CO2的硅酸盐类母岩[8，44].喻学惠等提出，地幔柱活动将大量深部流体（特别是CO2）带到浅地幔，使岩石圈底部的Pco2升高，导致钾霞橄黄长岩和碳酸岩共生[31]，Stoppa 等则认为它们之间的共生关系是一种遗传联系[9].

3.2 大地构造背景示踪

目前，钾霞橄黄长岩的成因还存在很大的争议，这也导致对其大地构造背景的认识出现不同的观点.

中国钾霞橄黄长岩出露于甘肃西秦岭地区，位于青藏高原的东北缘，前人测得金云母的40Ar/39Ar 年龄为22～23 Ma[46]，反映钾霞橄黄长岩为中新世岩浆作用的产物.根据地球化学和成因的研究，喻学惠等认为西秦岭钾霞橄黄长岩的形成与青藏高原的东西向拉张以及与之相关的拆层作用有关[3，7，18，19，30，31，46，47].

与中国相似，乌干达钾霞橄黄长岩形成于全新世-更新世[1]，产于新生代造山带之中的裂谷系统，在造山作用后由地幔热柱导致的岩石圈加热和减薄伸展，形成裂谷从而诱发火山活动[1，12，15，40].

巴西钾霞橄黄长岩同样产于造山带之中，是由于晚白垩世地幔柱（Tristan 和Trindade）对大陆岩石圈底部的热影响或化学影响，导致岩石圈伸展和变薄所形成的[48-50].但持有地幔部分熔融成因观点的学者，以及古地磁资料均认为巴西钾霞橄黄长岩是在亚马孙和San Franciso 克拉通碰撞期间获得的巴西利亚造山旋回导致的巴西利亚移动带次大陆岩石圈地幔拉伸减薄，并产生部分熔融的结果[10，39，51].

意大利钾霞橄黄长岩主要分布在亚平宁山脉中部，形成于晚更新世[8].与上述三个国家不同，意大利钾霞橄黄长岩具有明显俯冲作用影响的地球化学特征，可能为后碰撞岩浆作用的产物[37，52，53]，或者是非洲和欧洲板块之间产生的东西向作用力使岩石圈拉伸减薄，导致Tyrrhenian 盆地裂解，岩浆上涌[8，33].此外，还有学者提出圈闭羽流模型，认为过渡带内羽流相关物质的逐渐注入导致交代软流圈体积增加，随着地中海热柱头部逐渐向东迁移，引发了岩石圈的伸展和卸荷，随之产生减压熔融[5，3，54].

综上所述，钾霞橄黄长岩主要形成于造山带之中，可能是同造山后碰撞阶段的岩浆产物，也可能是地幔柱上涌的结果，亦或是其他机制导致的拉张作用引起地幔部分熔融所形成的.钾霞橄黄长岩的形成与造山作用有怎样的关系，目前尚无定论.

4 结语

钾霞橄黄长岩是一种来自地幔深部的贫SiO2和Al2O3，富碱的超基性超钾质火山岩，主要由橄榄石、金云母、白榴石、钾长石和辉石类矿物组成.钾霞橄黄长岩展示了轻稀土富集的稀土配分模式和不相容元素富集的微量元素蛛网图，但意大利钾霞橄黄长岩明显亏损Nb、Ta、Zr、Hf 等高场强元素，暗示壳源物质的影响.全岩地球化学特征显示，钾霞橄黄长岩可能来源于富集地幔，而中国钾霞橄黄长岩却具有亏损地幔源区的Sr-Nd-Pb 同位素特征.

由于地球化学特征上的差异，目前对钾霞橄黄长岩的成因和大地构造背景的认识，还存在几个关键问题，需要进一步研究：①通过对钾霞橄黄长岩的矿物成分和化学特征进一步判断其形成是否与地幔柱有关；②将钾霞橄黄长岩的微量元素数据与亏损地幔和富集地幔进行对比来证明其源于亏损地幔还是富集地幔；③钾霞橄黄长岩产于造山带之中，结合岩石的形成时代及该时期的地质运动判断其形成是否与造山作用有关，存在怎样的联系.